[发明专利]界面组装大面积均匀碳材料薄膜、其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种界面组装大面积均匀碳材料薄膜、其制备方法与应用。所述的制备方法包括：将碳材料分散于第一液相体系中形成碳材料分散液；以喷雾方式将碳材料分散液喷洒至第二液相体系表面，使碳材料在第二液相体系表面进行自组装而形成薄膜；以及利用毛细力对所述薄膜进行挤压处理，从而获得所述大面积均匀碳材料薄膜；其中，所述碳材料在第一液相体系中的分散度大于在第二液相体系中的分散度，且第一液相体系能与第二液相体系互溶。本发明所获碳材料薄膜综合性能良好，薄膜非常均匀，透光率和导电性良好，同时其制备工艺流程简单、操作方便、对环境因素要求低、不需要昂贵和复杂的实验设备，能够满足工业化大面积、大批量生产的需求。

技术领域

本发明涉及一种碳材料薄膜的制备方法，特别涉及一种基于界面组装法和毛细力挤压相结合的大面积均匀碳材料薄膜的绿色制备方法和应用，属于材料科学技术领域。

背景技术

与其他新材料相比，碳纳米管(CNTs)及石墨烯等碳材料具有众多优良的特点，如载流子迁移率高、电流密度大、强度高、导热率高、超薄、超轻、超硬，同时具有高性能传感器、可强化电子输送、催化剂、吸氢、双极半导体、无散热传输等功能。由于碳材料的这些性能优良、功能众多而被广泛应用到锂电子电池、超级电容、导电油墨、触摸屏、柔性电子、散热、涂料、防腐涂层、传感器等领域。此外，在高频电子、电磁屏蔽、光电转换、海水淡化、太阳能电池、燃料电池、催化剂、建筑材料等领域，也能发现碳材料的身影。如石墨烯的高载流子迁移率使其容易透过更宽波长范围的光，且导电性不受影响。而CNTs在轴向具有高的电子传导能力，在径向则受到抑制，且对可见光和近红外光没有明显的特征吸收，这些特点使CNTs薄膜可以兼具透明和导电的能力。此外，碳材料薄膜还具备良好的柔韧性，一定程度的弯曲和折叠对其导电能力影响较小，是最有希望替代ITO作为柔性透明导电薄膜的理想材料之一。此外，由于石墨烯薄膜还具备柔性好的优势，石墨烯的超薄、柔性和高透明性，使其得以作为电极的导电基板比其他材料具有更优良的柔性和透光性，可取代透明导电的ITO电极用于有机太阳能电池。同时，石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管运行速度更快、更省电，因此，这些薄膜还可用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管，以石墨烯为透明导电薄膜的触摸面板也已成功问世。此外，由于石墨烯优良的导电性能，石墨烯薄膜也可用作为电磁屏蔽涂层。而多层石墨烯具有类似于石墨的润滑效果，可以将其作为润滑防护涂层，以减小器件与外界的摩擦。

近年来，人们就如何能够简单、低成本以及环境友好地制备出均匀的大面积碳材料薄膜的方法做了很多研究。其中，后沉积法是国内外报道的制备柔性透明导电CNTs薄膜的主要方法，但是后沉积法过程复杂，得到的CNTs薄膜需要依附在衬底上，而且涉及化学修饰过程，对CNTs薄膜的电学性质的存在不可估量的影响。而目前制备石墨烯透明导电薄膜的方法基本上可以划分为两大类：CVD法和基于液相分散的后处理法。CVD法可以制备结构完美的高质量大尺寸石墨烯片，获得的石墨烯透明导电薄膜的电阻较低，性能与目前已商业化的透明导电薄膜相当，但是CVD法制作的石墨烯透明导电薄膜的尺寸受制于设备性能，从而难以实现大面积透明导电薄膜的制备和薄膜的无损转移，同时大规模生产所需的成本高。基于液相分散的后处理法获得的石墨烯及CNTs薄膜尺寸太小、结构缺陷多，导致薄膜电阻较之ITO薄膜要高许多，只能用于对导电性要求不高的应用领域。因此，如何能够简单、低成本以及环境友好地制备出均匀大面积透明导电碳材料薄膜，推动其规模化生产和在柔性电子器件中的广泛应用，已经成为本领域科学工作者面临的重要挑战之一。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于界面组装法和毛细力挤压相结合的大面积均匀碳材料薄膜的绿色制备方法和应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一些实施方案之中提供了一种界面组装大面积均匀碳材料薄膜的制备方法，其包括：

将碳材料分散于第一液相体系中形成碳材料分散液；

以喷雾方式将碳材料分散液喷洒至第二液相体系表面，使碳材料在第二液相体系表面进行自组装而形成薄膜；以及